15 Dec 2023

没有蜜蜂,就没有

由 u-blox 模块驱动的可持续蜂巢系统

u-blox's module to monitor bees

蜜蜂对我们的生态系统至关重要。它们负责全球约 75%的主要粮食作物授粉,其数量直接反映了大自然的健康状况。

根据联合国粮食及农业组织(FAO)、美国农业部(USDA)以及绿色和平组织等环保组织的报告,近年来蜜蜂数量正在迅速减少。如果这一趋势持续下去,可能会给地球带来灾难性的影响,更不用说人类了。

不过,并非所有事情都是坏消息。在斯洛文尼亚,人们非常重视这个问题。他们世世代代都在培育和支持蜜蜂,在自然环境中创建蜂箱。

斯洛文尼亚养蜂人开发了AŽ 蜂箱,以支持本地蜜蜂物种。这些蜂箱布置在小型建筑内,通常装饰有手绘的艺术图案,描绘斯洛文尼亚的传统和名胜,是这个国家独有的。目前,斯洛文尼亚登记在册的蜂箱总数超过 21 万个,大约每 1000 名居民中就有 5 名养蜂人。

一位斯洛文尼亚养蜂人走在 u-blox 员工中间。Jaka Bevk 是一位充满热情的工程师,他利用公司的技术监控蜜蜂的行为。这就是他的故事。

嗡嗡作响的创造力:一个想法的诞生

Jaka 十年前加入 u-blox 公司,并很快发现了公司技术在多个领域的潜在应用。五年后,他考虑将这项技术应用于养蜂业。

他的想法很简单:将传感器集成到蜂箱中,就不要译成 "使......",就可以监测蜜蜂数量的增长,跟踪单个蜜蜂进行研究,并检测新蜂群(即蜂群)的诞生。此外,传感器还不要译成 "使......",就能测量环境参数,揭示蜜蜂活动的相关性。

"别误会,我脑子里的想法很清晰,但这并不意味着我马上就能着手去做。直到 2021 年,我才最终决定从理论转向行动,"贾卡说。

概念验证设计

在 3D 打印机和 40 个传感器的协助下,贾卡开发出了一个原型,用于计数和检测蜜蜂的活动,并测量与蜜蜂活动相关的环境参数。

"设计简单但功能强大。

以下视频展示了该设备的组装过程及其主要元器件。

20 个红外线传感器可检测蜜蜂是否进入或离开蜂箱。此外,该设备还使用另外 20 个传感器来检测工蜂、无人蜂或蜂王背上的特定标记。所有传感器都无缝安装在外壳开孔中,使其暴露在蜜蜂的运动中。

bee marker device at the beehive gate

NINA-W106:星形连接器

在顶部的 PCB 技术平台上可以看到 u-blox NINA 蓝牙/Wi-Fi 模块,它接收所有信号信息并将其发送到云端。

NINA-W106 模块的显著,极大等功能是它能在一个位置处理所有收集到的数据。贾卡将应用代码直接嵌入该模块,在 Arduino 或 Visual Studio Code 等工具的辅助下,他能够对其进行编译。代码处理从传感器收集到的数据,无需外部应用处理器。

"我的原型机的大脑是一个 u-blox 模块"。

该模块的另外两大特点是成本极低和电源效率高。

由于 NINA-W106 支持蓝牙和 Wi-Fi,Jaka 可以通过两种方式访问数据。为了节能,最方便的方法是通过蓝牙。

在他的案例中,他用 Wi-Fi 接口支持应用程序。选择第二种方式有两种变体:一种是通过 NINA 模块内的接入点支持应用,并在该接入点上托管一个网页;另一种是像他那样,将模块连接到路由器上,在路由器上的另一个服务器将存储数据。

标记蜂后,就标记了整个蜂群

贾卡一直觉得蜜蜂的行为很有趣,原因有二。首先,蜜蜂不知疲倦地工作,不惜牺牲自己的生命来保护蜂群。第二,它们对蜂王坚定不移的忠诚。

这种现象并非空穴来风。由于信息素的作用,蜂巢中的每只蜜蜂都能辨别出蜂王的独特气味,无论蜂王走到哪里,它们都会义无反顾地追随着蜂王。

这个简单的事实为他设计解决方案提供了极大的便利。通过标记蜂王,他可以监控整个蜂巢的动向。

"检测标记是我的应用的真正突破"。

标记蜜蜂,了解它们

养蜂人早在几十年前就开始标记蜂王。通过在蜜蜂身上涂上一小点彩色油漆或使用其他识别方法,养蜂人可以快速找到蜂巢内的蜂王。标记蜜蜂的工艺和材料也在不断发展。如今,各种技术和颜色被用来表示不同的信息。

Types of bees and color of markers according to age

贾卡的标记比传统标记更多...(此项目不用有关...)。下面的章节将说明,他可以用自己的设备获取大量信息。

新蜂群的诞生:关键时刻

一只蜂王每天最多能产下 2000 枚卵,导致蜂群数量迅速增长。 当蜂群数量过多时,蜜蜂就会培育新的蜂王来接管蜂群。一旦新蜂王出生,老蜂王就会离开蜂巢,大约一半的蜜蜂也会跟着离开。

"蜂群形成和蜂王离开的那一刻至关重要"

当蜂王通过蜜蜂网关时,贾卡可以检测到蜂王离开蜂巢。此时,贾卡开始进行研究 以确保蜂后和她的追随者不会迷失在森林里他知道,蜂后在太阳方位和天空偏振光模式的指引下,不会走得太远。通常,蜂后会在一个临时地点降落,通常会选择一棵高大的树。

发现蜂群后,他会指定一个新的空蜂巢,让整个蜂群都能在那里获得食物,有栖息地、蜂巢,以及没有寄生虫或疾病的健康生活条件。

Slovenian unique beehive structure

监控:从蜜蜂到蜂巢及更多新闻

u-blox 模块支持的解决方案不仅能对蜜蜂进行计数,还能执行以下任务:

  • 测量蜂箱流量和活动,实时跟踪蜜蜂离开和返回蜂箱的航迹。
  • 存储用于后期处理的统计数据。可以从数据库中提取每天的数据,绘制图表,并进行交叉关联。还可提供带有时间戳事件的历史日志。
  • 根据算法数据处理,预测蜂群形成和跨群抢夺等非常事件的发生概率。
  • 通过蓝牙或 Wi-Fi 技术向终端用户发送通知和警报。
  • 利用状态雷达原始数据中的降雨数据测量环境参数,包括蜂巢入口处的温度和湿度。

除了常规的检测工蜂或无人蜂,跟踪它们的年龄和在蜂巢内的航迹外,Jaka 还能识别定制的蜜蜂标记。

这使他不要译成 "使......",就能更深入地了解它们的行为,用于研究和蜂巢观察:

  • 无人驾驶蜜蜂的行为
  • 工蜂行为、觅食飞行时间和计数
  • 处女蜂王行为:交配飞行时长和计数
  • 交配蜂王检测:新蜂群的形成

深入了解数字

第一张图表说明了随着时间的推移,进出蜂巢的蜜蜂数量。它还显示了蜂群的总活动量,即进出蜂群的总和。峰值标志着一个新蜂群诞生的精确时刻--一个蜂群形成并离开蜂巢。

第二张图告诉 Jaka 蜂群的规模,在这种情况下,蜂群规模约为 4000 只蜜蜂。第三张图显示了当设备检测到蜂王离开蜂巢时,标记触发信号的时刻。

bee gate traffic, number of bees, and marker

贾卡还可以提取特定一天(比如炎热的夏天)的所有数据,生成一张能有效说明蜜蜂交通行为的图表。不要译成 "使......",就能看出蜜蜂流量与气温之间的明显相关性:气温越高,蜜蜂就越活跃。

第二张图描述了蜜蜂的活动量与湿度的关系。在雨天,湿度增加,蜜蜂活动减少。

bee traffic behavior with different temperature and humidity

谁说停飞的翅膀不能飞?

这个项目远未完成。虽然他的原型成功地提供了必要的数据,但贾卡还是尽量不要译成'它',就近翻译为:该系列模块or产品名。

试想一下,如果他能将家中的蜂箱与斯洛文尼亚的其他 21 万个蜂箱通信,并监控全国蜜蜂的动向,那将会有多大的可能性。如果更进一步,建立一个欧洲蜂箱网络,会有什么好处呢?

加强 Jaka 的应用需要整合定位技术和蜂窝通信模块。下一步是在他的概念验证中加入一个用于地理定位的 GNSS 模块和一个用于向远程云端传输数据的蜂窝通信模块,同时保留用于本地连接的蓝牙和 Wi-Fi 模块。

"从本质上讲,解决方案就在房子里"。

实时跟踪蜜蜂的航迹将有机会确保物种的繁衍,并深入了解整个生态系统的现状。

工业化耕作和杀虫剂的使用,以及危害环境的零星事件,往往都与蜜蜂的行为有关。因此,如果能获得这些信息,将是无比宝贵的,可以不要译成 "使......",采取积极主动的措施,防止或解决有害情况。

蜂群的最终想法

过去,蜂群可以找到新家,在大自然中独立生存。但最近,人类活动越来越多地改变了这一过程。杀虫剂、栖息地丧失、气候变化、寄生虫和单一种植农业等因素破坏了这一自然循环。

如今,如果没有人类的干预,新蜂群在第一个冬天存活下来的几率不到 25%。这个比例还在继续下降,按照目前的速度,蜜蜂的繁殖最终将完全依赖人类的帮助。

贾卡是一位创新者,业余时间喜欢养蜂。他从父亲那里继承了这一爱好,并热衷于为更多...(此项目不用有关...)可持续发展的未来做出贡献。

巧合的是,贾卡利用他最熟悉的技术开发了蜜蜂监测解决方案。正如人们常说的,当生活给你柠檬时,尽可能做出最美味的柠檬水。

Jaka Bevk

Senior Engineer

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